提取时间与退火温度调控Sclerocarya birrea介导的磷酸钙与氧化铁纳米颗粒物理特性研究

《Heliyon》：Sclerocarya birrea-mediated calcium phosphate and iron oxide nanoparticles: Effect of extraction time and annealing temperature on physical properties

本研究针对传统纳米颗粒合成方法存在的高能耗、污染重及资源浪费问题，通过绿色合成路径，利用Sclerocarya birrea果壳提取物成功制备了磷酸钙（CaP）与氧化铁（IO）纳米颗粒。系统探究了提取时间（30/60分钟）与退火温度（100–500°C）对纳米颗粒晶型、尺寸、表面特性及稳定性的影响，结果表明短时提取（30分钟）与优化退火工艺可生成高纯度、小尺寸（CaP: 28.9–30.9 nm；IO: 16.5–20.7 nm）、高比表面积的纳米材料，为农业、生物医学等领域的可持续纳米材料开发提供了新策略。

　　

随着纳米技术在医疗、能源、农业等领域的广泛应用，传统物理化学法合成纳米颗粒的弊端日益凸显：高能耗、昂贵设备、有毒副产物以及难以规模化生产。这些问题严重制约了纳米技术的可持续发展。与此同时，全球每年产生大量农业废弃物，如果壳、秸秆等，如何将其变废为宝，实现资源循环利用，成为绿色化学和循环经济关注的重点。在此背景下，绿色合成（Green Synthesis）——利用植物、微生物等生物资源作为还原剂和稳定剂来制备纳米颗粒——因其环境友好、成本低廉、操作简单而备受青睐。然而，绿色合成过程复杂，其最终产物的性质（如尺寸、形状、结晶度）深受合成条件的影响，例如植物提取物的制备条件（如提取时间）以及合成后处理工艺（如退火温度）。因此，系统研究这些工艺参数对生物基纳米颗粒物理性质的调控规律，对于优化合成工艺、推动其实际应用至关重要。

南非的Marula树（Sclerocarya birrea）是一种广泛分布于非洲的植物，其果实常用于生产果汁、果酱和油，过程中产生的大量果壳常被当作废弃物丢弃。此前的研究表明，Sclerocarya birrea的不同部位（如叶、茎、树皮）含有丰富的酚类、黄酮类、生物碱等植物化学成分，这些成分可作为有效的生物还原剂和封端剂（Capping Agent）用于纳米颗粒的合成。但利用其果壳提取物，特别是通过不同提取时间获得的提取物，来合成磷酸钙（Calcium Phosphate, CaP）和氧化铁（Iron Oxide, IO）纳米颗粒，并系统研究退火温度的影响，尚属空白。磷酸钙纳米颗粒因其良好的生物相容性，在骨组织工程、药物递送以及作为缓释肥料方面潜力巨大；而氧化铁纳米颗粒则凭借其磁性特性，在生物分离、催化、环境修复及农业生物刺激等领域具有广泛应用前景。

为此，由Haripriya Rama、Busiswa Ndaba、Shohreh Azizi、Banele Vatsha、Mokhotjwa Simon Dhlamini、Malik Maaza和Ashira Roopnarain组成的研究团队在《Heliyon》上发表了他们的最新研究成果。他们旨在开发一种简便、新颖的生物合成方法，利用Sclerocarya birrea果壳提取物制备CaP和IO纳米颗粒，并重点阐明提取时间（30分钟与60分钟）和退火温度（CaP NPs：100°C干燥与200°C退火；IO NPs：100°C干燥、200°C与500°C退火）对这些纳米颗粒物理性质（包括晶体结构、尺寸、形貌、表面化学、电荷和比表面积）的影响，以期找到节能、可持续生产高性能生物基纳米颗粒的最佳工艺参数。

为开展此项研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，他们通过煎煮法（Decoction）从Sclerocarya birrea果壳粉末中制备了两种提取物（S30和S60）。接着，采用植物介导法（Phyto-mediation）分别合成CaP和IO纳米颗粒，其中CaP的前驱体为钙盐和磷酸盐，IO的前驱体为铁盐。合成后的纳米颗粒经过洗涤、离心和在不同温度下（100°C干燥，以及200°C或500°C退火）处理。对最终获得的纳米颗粒，研究团队利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、Zeta电位分析、比表面积分析（BET）以及X射线光电子能谱（XPS）等多种表征技术，全面分析了其光学特性、官能团、晶体结构、形貌、元素组成、表面电荷、比表面积和孔结构以及化学状态。

3.1. UV–Vis spectroscopy

通过紫外-可见光谱分析，研究人员发现S30和S60提取物在337 nm和360 nm处有宽吸收峰，表明提取物中含有多种植物化学物质。而合成的CaP NPs和IO NPs则分别在300-317 nm和306 nm处出现较窄的吸收峰，这提示成功形成了单分散性较好的纳米颗粒。与S30提取物合成的CaP NPs相比，用S60提取物合成的CaP NPs吸收峰发生红移，可能意味着有更多的植物化学物质封端在纳米颗粒表面。

3.2. Fourier transform infrared spectroscopy

FTIR光谱显示，S30和S60提取物的官能团谱图相似，说明延长提取时间对官能团种类影响不大。在CaP NPs中检测到O-H、C-O、HPO₄^2?和PO₄^3?等官能团，其谱图与刷石（Brushite）匹配。IO NPs中则存在O-H、C-O和Fe-O官能团。重要的是，在纳米颗粒的FTIR谱图中也发现了提取物中的某些特征官能团（如C-H、C-O-C），证实了植物化学物质作为封端剂参与了纳米颗粒的合成与稳定过程。随着退火温度升高，官能团的透射率降低，表明生物质杂质和水分子被有效去除。

3.3. X-ray diffraction

XRD分析表明，在100°C干燥的CaP NPs呈现出单斜晶系的刷石结构，而经过200°C退火后，则转变为三斜晶系的钙氢磷酸盐和三斜磷钙石（Monetite）的混合物，发生了相变。刷石状CaP NPs的晶粒尺寸在70.65 nm (S30) 到81.03 nm (S60) 之间，而退火后的Monetite状CaP NPs晶粒尺寸减小至19.11 nm，但位错密度和微应变显著增加。对于IO NPs，在100°C干燥和200°C退火条件下未观察到明显的衍射峰，表明形成了无定形结构。然而，在500°C退火后，出现了清晰的衍射峰，与赤铁矿（α-Fe₂O₃）的标准图谱吻合，呈现菱方晶系。其晶粒尺寸分别为31.53 nm (S30) 和35.04 nm (S60)。提取时间的不同引起了CaP和IO NPs衍射峰的细微变化，这归因于不同提取物中植物化学物质浓度和组成的差异影响了纳米颗粒的结晶过程。

3.4. Transmission electron microscopy

TEM图像直观地展示了纳米颗粒的形貌和尺寸分布。CaP NPs呈棒状团聚体，EDX证实其由钙、磷、氧元素组成，纯度较高。统计结果显示，100°C干燥的刷石状CaP NPs平均尺寸分别为30.9±9.8 nm (S30) 和28.9±12.7 nm (S60)，无显著差异。但经过200°C退火后，平均尺寸增大，特别是S60组增至47.9±18.8 nm，这与XRD中观察到的衍射峰变化相互印证。IO NPs在低退火温度下为无定形结构，尺寸较小（3.1-5.7 nm）。500°C退火后形成明显的菱面体状赤铁矿NPs，平均尺寸为16.5±6.6 nm (S30) 和20.7±6.7 nm (S60)，尺寸显著增大，表明高温退火促进了小颗粒的融合生长。EDX谱图中均检测到碳峰，进一步证实了有机封端剂的存在。

3.5. Zeta potentials

Zeta电位测量用于评估纳米颗粒胶体溶液的稳定性。所有合成的纳米颗粒均带负电荷。CaP NPs的Zeta电位在-16.3 mV到-20.3 mV之间，电气稳定性相对较低，易于团聚。而IO NPs，尤其是在100°C干燥的样品，Zeta电位高达约-42 mV，表现出极高的电气稳定性。经过500°C退火后的结晶IO NPs，Zeta电位仍保持在-24.0 mV到-26.6 mV的稳定范围内。结果表明，退火温度和提取时间影响了纳米颗粒的表面电荷和稳定性，这与其表面封端剂的种类和数量密切相关。

3.6. Surface areas and pore size distributions

BET比表面积分析显示，100°C干燥的CaP NPs（S30制备）和500°C退火的IO NPs（S30制备）的比表面积分别为47.95 m²g^?1和22.16 m²g^?1。氮气吸附-脱附等温线表明两者均具有IV型等温线和H3型滞后环，属于介孔材料（孔径2-50 nm），平均孔径分别为12.36 nm和11.16 nm。较大的比表面积和介孔结构有利于提高纳米颗粒的反应活性和吸附能力，在药物递送、催化等领域具有应用潜力。

3.7. X-ray photoelectron spectroscopy

XPS分析专门针对500°C退火、S30提取物合成的IO NPs进行，以确定其元素组成和化学状态。全谱扫描确认样品主要由铁、氧和碳元素组成。O 1s峰位于530.3 eV，对应金属氧化物（Fe=O）。C 1s峰显示存在C=O和C-O官能团，与FTIR结果一致，源于封端剂中的植物化学成分。Fe 2p谱图在724.2 eV (Fe 2p_{1/sub>) 和710.6 eV (Fe 2p3/2) 处有明显的峰，对应于Fe³⁺，并伴有少量Fe²⁺的痕迹，这与赤铁矿（α-Fe2O3）的化学状态一致，进一步证实了XRD的结论。}

3.8. Nanoparticle quality assessment and future prospects

通过将本研究合成的纳米颗粒与其他方法（如其他植物提取物合成法、湿法沉淀法、溶胶-凝胶法等）制备的同类纳米颗粒进行比较，发现Sclerocarya birrea介导法合成的CaP和IO NPs在颗粒尺寸（尤其是TEM观测尺寸）方面具有优势，展现了其作为生物还原剂和封端剂的有效性。同时，研究也指出需要对合成参数（如前驱体浓度、体积比等）进行进一步优化，并开展剂量效应研究，以评估其大规模应用，特别是在精准农业中的环境健康风险和控制释放潜力。

综上所述，本研究成功利用Sclerocarya birrea果壳提取物这一农业废弃物，通过绿色合成路径制备出了高纯度、小尺寸、具有特定晶体结构和良好表面特性的CaP和IO纳米颗粒。研究清晰地表明，提取时间和退火温度是调控纳米颗粒最终物理性质的关键工艺参数。较短的提取时间（30分钟）有助于获得更优的纳米颗粒特性，且更节能。对于IO NPs，500°C的退火温度是实现从无定形向结晶度高的赤铁矿转变的必要条件；而对于CaP NPs，100°C干燥即可获得结晶良好的刷石结构。这项研究不仅为可持续、节能地生产生物基纳米材料提供了一种有前景的策略，实现了农业废弃物的价值提升，而且通过详细表征建立了工艺参数与产品性能之间的关联，为后续针对特定应用（如CaP NPs用于缓释肥料或药物载体，IO NPs用于催化或生物刺激剂）的工艺优化和放大生产奠定了坚实的基础。该研究成果发表于《Heliyon》，对推动纳米技术的绿色化、可持续发展及循环经济实践具有重要意义。